Le sujet de l’évolution, de la matière aussi bien que de la vie, me passionne depuis toujours. J’ai déjà évoqué (le 04 juillet 2020), la complexification des minéraux dans tout système planétaire, système que l’on peut considérer comme un véritable « réacteur ». Mais je reprends ici le sujet afin que tout le monde puisse réfléchir à nouveau à ce thème de l’impermanence et de la transformation continue de toutes choses.
Les échelles de temps sont différentes selon les objets bien sûr mais, selon l’expression attribuée à Héraclite, il est bien vrai que « tout coule, rien ne demeure », je dirais, un peu différemment, « tout évolue, tout se transforme », même les minéraux qui semblent les plus incorruptibles. Le zircon, ce minéral dont les cristaux sont extrêmement résistants ne peut lui-même échapper à l’évolution. Ses cristaux contiennent une quantité relativement large d’uranium remontant à leur formation mais avec le temps, cet uranium se désintègre radioactivement en plomb ce qui permet de l’utiliser pour dater les périodes les plus anciennes de notre planète. Et cette capacité d’évolution, à toutes les échelles, dont la concrétisation est imposée par l’environnement et par le temps, conduit à la personnalisation des planètes comme des hommes, du fait d’un milieu et d’une histoire propre à chaque planète comme à chaque homme.
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The Story of Earth de Robert Hazen met en évidence ce phénomène capital pour comprendre que notre Terre, comme les autres astres, est aussi unique qu’un être humain. Son « empreinte digitale » géologique, expression de son individualité, est à nulle autre pareille, comme celle de toute autre planète d’ailleurs. Ceci a une incidence forte sur la probabilité de vie et encore plus, de vie consciente et communicante, ailleurs dans l’Univers.
Il faut voir chaque planète et bien sûr la nôtre, comme un réacteur physico-chimique de masse variable (c’est un élément très important), constitué d’éléments particuliers (minéraux et « volatiles » c’est à dire liquides et gaz) en proportions également variables, et opérant sur ces mêmes éléments. Ce réacteur utilise un type d’énergie commun (celui provenant par rayonnements, des étoiles leur soleil) mais à une distance bien précise de l’émetteur et donc à des doses et des intensités particulières pour chacune (les différents types de rayonnements reçus de l’étoile unique, centrale au système, et/ou éventuellement des étoiles sœurs appartenant au même système, ou voisines de ce système à l’occasion de certains événements de leur évolution, comme les supernovæ). Secondairement la planète utilise une source d’énergie qui lui est bien sûr propre car elle la génère : sa chaleur interne (énergie cinétique accumulée et dégradation des minéraux radioactifs) et la force de gravité qui dépend de sa masse. De plus, la mise à feu du réacteur (avec une progression à partir de l’accrétion de la planète) intervient à un certain moment d’une histoire (celle de l’Univers) dans un certain contexte galactique (à une certaine distance de son trou noir central et d’autres étoiles plus ou moins actives). Ensuite la réaction se déroule sur une certaine durée, avec des accidents de fonctionnement, internes (mouvements de convection du manteau, tectonique des plaques, volcanisme) ou externes (les météorites, les novæ ou supernovæ voisines), d’intensité et de dates d’occurrence particulières par rapport à sa trajectoire d’évolution. Il en résulte pour chaque planète une histoire unique qui donne des résultats uniques, non reproductibles, sauf par pur hasard étant donnée la taille de l’Univers.
L’Univers progresse ainsi, au fil du temps, dans la complexification (accroissement de l’entropie) et dans la particularisation des astres qui en composent la matière baryonique, à l’intérieur bien sûr d’une gamme de « possibles », résultant des éléments chimiques de base et des quatre interactions fondamentales structurant les rapports entre les éléments et les forces composant la nature. Mais cette gamme est d’autant plus étendue qu’on entre dans les détails et qu’on avance dans le temps.
L’apport de Robert Hazen et de ses collègues, Dominic Papineau et Wouter Bleeker*, est de concevoir puis de démontrer que dans ce contexte, la minéralogie elle-même d’une planète évolue au long de son histoire et, idée encore plus novatrice, qu’au moins dans le cas de la Terre (seul astre sur lequel la vie soit apparue, à notre connaissance), elle co-évolue avec la vie, l’un des facteurs apparaissant puis agissant dans le réacteur, en interaction avec elle. C’est-à-dire que l’évolution du milieu est intégrée à l’évolution de la vie et que l’évolution de la vie agit sur l’évolution du milieu y compris la minéralogie de la planète.
Autrement dit la plupart des types de minéraux que nous constatons à la surface de la Terre aujourd’hui, n’existait pas lorsque la planète s’est constituée par accrétion des gaz et des poussières de notre nuage moléculaire pré-stellaire, puis des astéroïdes et des planétoïdes de notre disque protoplanétaire. Mais aussi, ces types de minéraux sont beaucoup plus nombreux et variés qu’ils l’étaient plus on descend vers le Présent à partir de ce Passé lointain. Et les divergences entre les planètes s’accentuent forcément avec le temps du fait de leurs évolutions singulières.
Avant 4 milliards d’années les types de minéraux sur Mars et sur la Terre étaient probablement à peu près les mêmes quoi qu’en proportions quelques peu différentes. Mais très vite il y a eu divergences du fait d’une activité géologique différente chez l’une et chez l’autre. Il y a 3,5 milliards d’années les types de minéraux étaient probablement déjà un peu moins nombreux sur Mars que sur Terre et la diversification croissait considérablement plus vite sur Terre, du fait notamment du rôle actif de la vie dans l’environnement terrestre. Je choisis cette époque comme repère non au hasard mais parce que pour Mars et la Terre elle est significative. On observe en effet des traces de vie sur Terre remontant un peu avant (3,8 milliards d’années) alors que Mars devient aride en surface par suite de la diminution considérable de la masse et de la pression au sol de son atmosphère.
Il y a analogie avec l’histoire de l’Univers. Lors de la libération des photons et de la « recombinaison » des atomes neutres (380.000 ans après le Big-bang, il y a près de 13,8 milliards d’années), il n’y a dans l’Univers que de l’hydrogène (autrement dit un proton avec un électron), un peu d’hélium, puis un peu plus d’hélium et du deutérium et rapidement du lithium. Les autres éléments chimiques viendront après, forgés par la nucléosynthèse au cœur des étoiles massives. Les expulsions de leurs enveloppes par ces étoiles en phase géantes rouges (« AGB » pour « Asymptotic Giant Branch » dans le diagramme de Hertzsprung-Russel), puis l’explosion en supernovæ de ces mêmes étoiles et la dispersion dans l’espace d’éléments de plus en plus enrichis par les nucléosynthèses, puis la reconcentration de cette matière dispersée dans un contexte galactique (gravité et brassages de matière) et d’expansion de l’Univers, sont ce qui constitue les événements clefs de son histoire. Il a fallu beaucoup de temps (plusieurs milliards d’années) pour que ces fluctuations créent suffisamment d’éléments lourds (des « métaux » au nombre « Z » de protons de plus en plus élevés) pour que la matière « lourde » puisse être suffisamment importante « quelque part » pour que des planètes telluriques, comme la Terre, puissent exister. Cela a permis évidemment d’ouvrir un nouveau chapitre de l’évolution, une multitude de suites parmi une infinité de possibles, les molécules organiques, leur polymérisation et (chez nous) leur combinaison en êtres vivants utilisant (nécessitant) une gamme d’éléments chimiques extrêmement étendue. Le corps humain contient les fameux C, H, O, N (Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote) « de base », plus les P et S (Phosphore et Souffre) mais aussi de nombreux autres éléments dont le fer et même l’or ou autres oligoéléments qui n’existaient pas au début de notre histoire !
L’Univers est globalement homogène mais il ne l’est pas au travers du temps et il ne l’est pas non plus localement. Il ne l’est qu’à une certaine échelle, dans de très larges volumes concentriques, dont le centre est l’origine de l’Univers et le rayon l’axe du Temps partant de cette Origine. A un moment donné dans un même « voisinage », les étoiles n’ont pas toutes le même âge et nous sommes voisins de vieux systèmes stellaires beaucoup moins métalliques que le nôtre ou de très jeunes sans doute plus riches en ces éléments que le nôtre. Mais cette plus grande richesse est-elle un facteur positif ou négatif pour la vie ?
Transposons-nous dans notre petit coin d’Univers il y a quelques 4,6 milliards d’années alors que la densité de notre nébuleuse augmente par concentration gravitationnelle autour de la masse de plus en plus importante de notre futur Soleil. Dans le nuage protoplanétaire, on aurait pu (si on avait été là !) distinguer seulement une douzaine de minéraux, réfractaires (ils viennent de la forge d’étoiles massives explosées), à l’état de poussières. Elles constituent le « cocktail » à partir duquel va se dérouler toute l’évolution ultérieure des astres du système. L’agglomération résultant de la gravité, la chaleur provenant de la densification et les sursauts radiatifs résultant de la constitution de l’étoile, poussent rapidement la diversification jusqu’à une soixantaine de minéraux dans les chondrules et les inclusions calcium-aluminium (« CAI ») des astéroïdes chondritiques. Avec l’accroissement de la taille de certains d’entre eux qui se transforment de ce fait en astéroïdes achondritiques sous l’action de l’augmentation de la chaleur et de l’eau qui permettent la séparation et la recombinaison d’éléments, on atteint une diversité de l’ordre de quelques 250 minéraux. Ensuite, au sein des planètes telluriques (dont la Terre et Mars), à partir de – 4,567 milliards d’années, toutes sortes de processus entrent en jeu : encore la température et la pression (mais plus élevées du fait de la force des chocs d’accrétion, de la désintégration radioactive sur la durée des matières les plus instables à l’intérieur de la masse, et du fait de l’importance même de cette masse) ; l’hydratation ; la différenciation des roches en fonction de leur densité dans un environnement fluide (parce que très chaud et sous une pression plus ou moins forte). Au début de l’Archéen (le Noachien ou le Phylosien sur Mars), vers -4 milliards d’années (un peu plus tôt sur Mars qui refroidit plus vite), de nouveaux phénomènes entrent en jeux tandis que d’autres persistent : le durcissement de la croûte planétaire du fait de son refroidissement relatif ; la tectonique des plaques affectant cette croûte, verticale au début ; le volcanisme et son dégazage sélectif au travers de cette même croûte ; l’action des gaz atmosphériques sur les roches de surface ; les radiations solaires et galactiques, de nouvelles averses de météorites dans une croûte déjà différenciée ; encore le jeu de l’eau qui non seulement hydrate mais aussi entraîne, érode et concentre ; le temps qui passe toujours et encore ; le lent refroidissement, la matière de la croûte qui de plus en plus se fige. On parvient ainsi à quelques 1500 variétés de minéraux et sur la Terre comme sur Mars la scène est prête pour l’apparition de la vie.
Le processus de transformation abiotique continue sur Mars comme sur Terre avec la sédimentation, la diagénèse, le métamorphisme, du fait des éléments en présence, de l’environnement et encore du temps qui passe. Mais Mars s’appauvrit en éléments volatils et le réacteur Terre est en plein « fonctionnement ». Dans l’environnement riche et actif de cette dernière, la vie commence vers – 3,8 milliards d’années et elle commence parce que l’environnement minéral lui est favorable. Il fallait en effet que les effluents créant les cheminées des fumeurs-gris au fond des océans soient constitués de certains minéraux (sulfates de calcium avec du fer, du manganèse, du zinc, du cuivre, etc…) et que leur pH soit suffisamment bas pour que leurs alvéoles puissent abriter les premières matières organiques complexes se nourrissant de ces effluents, jusqu’à la vie. Je rappelle ici ma définition de ce phénomène extraordinaire, telle que formulée il y a déjà plusieurs années dans ce blog : « un processus continu de transformation de la matière par des organismes puisant leur énergie et leurs éléments constituants dans leur environnement, pour se reproduire presque à l’identique mais pas tout à fait ce qui leur permet de s’adapter aux conditions extérieures et donc d’évoluer ». Je pense que cette définition illustre bien le processus de co-évolution de la vie et des minéraux. Au-delà de l’apparition de la vie, qui est un phénomène symbiotique, au début strictement minéral (organismes autotrophes), cela évoque les multiples actions de réduction/oxydation, l’oxydation du fer ferreux en fer ferrique et la création massive de formations ferrifères rubanées (Banded Iron Formation) par l’oxygénation des océans résultant de la prolifération des algues monocellulaires bleues-vertes (cyanobactéries) dont l’oxygène moléculaire est le rejet métabolique. Cela évoque aussi la diffusion dans l’atmosphère de l’oxygène produit par la vie de ces mêmes algues et l’oxydation accélérée des minéraux exposés à cet oxygène atmosphérique. Cela évoque aussi l’utilisation par des mollusques du calcium pour leur coquilles et du calcaire qui en résulte. Cela évoque encore l’enfouissement des végétaux à l’époque carbonifère et leur lente transformation en charbon ou en pétrole. Les interactions sont multiples et on atteint aujourd’hui quelques 4300 variétés de minéraux sur Terre.
Sur Mars, on a les mêmes éléments chimiques mais pas la même diversité de minéraux (pas de granite, pas de calcaire!) car l’atmosphère s’est appauvrie beaucoup plus vite et plus sévèrement, l’eau liquide s’est sublimée ou a disparu dans le sol et parce qu’il n’y a pas eu de tectonique des plaques ou que plutôt, logiquement sous une forme primitive, verticale, elle s’est arrêtée très tôt, et aussi parce que probablement il n’y a pas eu de vie ou au mieux seulement quelques prémices prébiotiques.
« Demain », dans une ou deux centaines de millions d’années, quand une intelligence quelconque s’intéressera à la géologie de la Terre pour connaître et comprendre son histoire, la seule trace de notre passage, c’est-à-dire de notre interaction avec la matière, sera enfouie sous des mètres de sédiments et totalement métamorphisée. Ce sera peut-être une couche de débris plastique ou plutôt des éléments résultant de leur décomposition chimique, témoignant de la production effrénée de ce matériau, ou bien une concentration inhabituelle et non explicable autrement que par une action industrieuse, de métaux et de terres rares dans ce qui jadis furent les décharges de rejets « métaboliques » de notre industrie automobile, téléphonique ou alimentaire.
Nous sommes des produits de la Terre et par notre vie même, nous co-produisons sa propre matière pour en faire un astre unique.
Illustration de titre : brown dwarf surrounded by a swirling disk of a planet building dust. Credit NASA/JPL-CalTech/T.Pyle (SSC). Nous sommes ici avant les planets mais, avec le temps et la gravité, elles vont surgir de la poussière et la complexification va se poursuivre à une autre échelle.
*Review paper: Mineral evolution, par Robert Hazen (Carnegie institution for science), Dominic Papineau (University college, Londres), Wouter Bleeker (Government of Canada), in “American Mineralogist”, Volume 93, pages 1693-1720, 2008, DOI:10.2138/am.2008.2955
Livre: The Story of Earth, de Robert Hazen, “The first 4.5 billion years, from stardust to living planet”, Penguin books, 2012.
#TerreAstreUNique #TerreReacteurPhysicoChimique
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7 Responses
12, 250, 1500, 4300 … variétés de minéraux, certes. Mais prolongeons un peu cette intéressante fresque chiffrée ! Il existe un peu moins d’un million de molécules inorganiques mais bien plus de 10 millions de molécules organiques, dont la plus grande partie a été synthétisée par l’homme.
Il est remarquable que le tableau périodique soit universel avec ses actuels 92 éléments, dont seulement une toute petite minorité est utlisée par les organismes vivants dont les protéines sont bâties avec seulement 22 acides aminés et dont les ARN et ADN sont encore plus restrictifs en n’utlisant que 5 bases fondamentales, 3 leur étant communes et la 4e différant d’un acide à l’autre. Les codons qui les constituent, avec à chaque fois trois bases, permettent 64 combinaisons différentes, ce qui représente une certaine mais petite redondance par rapport au nombre des 22 acides aminés à coder.
Cerise sur le gâteau : les acides aminés, qui ont un carbone asymétrique, peuvent exister sous deux formes (gauche et droite) dites énantiomères, mais seule la forme gauche est utlisée par la vie, la forme droite est même toxique. Pour les sucres, également asymétriques, seule est retenue la forme droite.
L’évolution moléculaire, sur Terre en tout cas, est allée jusquà ces suprêmes raffinements.
Y a-t-il place « ailleurs » pour d’autres évolutions moléculaires, « contingentes », avec d’autres ajustements, l’évolution terrestre n’étant qu’une variante possible ? Ou bien cette évolution, telle que nous la connaissons, est-elle « nécessaire » ?
Finalement, j’ajouterais ce livre à la suite de celui de Robert Hazan :
Raymond L. Neubauer (Columbia University Press, 6 déc. 2011 – 320 pages)
« Evolution and the Emergent Self ».
Vous avez raison Monsieur de Reyff, la chimie est universelle.
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Simplement, ce qu’on peut dire, c’est que l’Univers n’utilise pas tout son potentiel partout. Il ne le fait qu’en fonction des conditions de pression, de température, de gravité, de durée, d’atmosphère et de champs magnétique qui protège des radiations, de présence d’eau liquide qui permet les alliances de se faire entre les molécules, de tectonique des plaques qui permet les mélanges sous pression et température.
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Sur Mars, il n’y a pratiquement pas de carbonates donc pas de calcaire. Il n’y a pas eu de tectonique des plaques donc pas de métamorphisme aussi riche que sur Terre, il y a peu d’eau liquide, les radiations sont très fortes en surface. La chimie est plus simple non dans son potentiel mais dans sa réalité.
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L’évolution qui a eu lieu sur Terre est sans doute nécessaire pour conduire jusqu’à nous et les potentialités qui ne se sont pas développées aussi loin dans un autre milieu, n’ont pas pu donner le même résultat. Pour y parvenir, il faudrait une présence intelligente et capable de faire. C’est l’homme qui pourra extraire du sol et de l’atmosphère les atomes et les molécules organiques que la planète aura pu produire à partir de ces atomes et poursuivre leur complexification, aussi loin que sur Terre (Nature, industries, laboratoires).
Peut-être faudrait-il ajouter que certaines météorites, les chondrites carbonées de type CI principalement, contiennent jusqu’à plusieurs % (en masse) de carbone sous la forme de plusieurs molécules organiques, telles que les acides aminés et les nucléobases mentionnés ci-dessus. On y a même relevé une surabondance de la forme gauche, « vitale », des acides aminés. Tout cela pour préciser que l’histoire de la vie sur Terre a été beaucoup dépendante de conditions d’évolution extérieures à la Terre elle-même.
Voir, par exemple, ici : « Carbonaceous meteorites contain a wide range of extraterrestrial nucleobases » (2011) :
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3161613/pdf/pnas.1106493108.pdf
et là : « Understanding prebiotic chemistry through the analysis of extraterrestrial amino acids and nucleobases in meteorites » (2012) : http://science.gsfc.nasa.gov/691/analytical/PDF/BurtonReview2012.pdf
Donc, si j’ai compris, chaque planète a une évolution originale. Il est plus que probable que vous ayez raison. Parce que si le hasard a fait qu’une autre planète a, par extraordinaire connu absolument la même histoire que la terre, il faudra rouvrir la boîte de Pandore. Peut-être faut-il limiter la question aux corps simples, ceux chers à Mendeleïev. Même de cette façon, on aura peut-être un jour des surprises. Les Américains nous ont créé le californium, éphémère mais quand même réel. Peut-on imaginer que quelque part dans l’univers, un ou plusieurs corps simples ont été créés avec des propriétés physico-chimiques extraordinaires? Outre tous les facteurs dont vous avez parlé, le temps joue aussi son rôle et certains mondes sont apparus plus ou moins tard
Je crois, comme Monsieur de Reyff, que la Chimie suit des lois universelles et que donc les corps simples sont ceux de la table de Mendeleïev. Dans des conditions extraordinaires de pression et de température, on arrive à « étoffer cette table) cette table avec des noyaux de plus en plus « gros » et de plus en plus instables.
Par contre la minéralogie ajoute une dimension complémentaire à la « chimie atomique ». En effet les combinaisons possibles des éléments entre eux ainsi que les proportions des uns et des autres sont très étendues sinon infinies. Ensuite les roches viennent en « remettre une couche » en mêlant éventuellement les minéraux les uns aux autres (selon des proportions et des dispositions variables, les cristaux par exemple).
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Je n’ai pas oublié le temps comme facteur de complexification. Vous pouvez me relire. L’évolution c’est le temps qui passe et au cours de l’évolution (presque) tout se modifie comme je l’ai indiqué mais selon des temporalités différentes et en fonction aussi de l’environnement. Ce qui ne se modifie pas ce sont les règles de l’évolution.
» des temporalités différentes » oui, c’est-à-dire que certains mondes ou certaines galaxies sont plus anciennes ou plus récentes que la nôtre ou encore ont un environnement, une histoire particulière et, vu le nombre de combinaisons d’atomes possibles, pourraient receler des corps simples ou plus facilement des molécules avec des propriétés exploitables comme bouclier aux radiations, comme source d’énergie, voire comme base d’une vie… [hum!]
La chimie étant ce qu’elle est, il n’est pas envisageable qu’une autre forme de vie, ailleurs, se fasse autrement qu’avec des atomes de carbone. Même le silicium, son homologue situé en dessous dans le tableau périodique, n’a pas une telle richesse potentielle de molécules. Comme on l’a vu, les acides aminés sont présents dans l’espace en dehors de la Terre. On peut seulement imaginer une autre vie avec un autre codage de ces derniers, avec une autre « langue », un autre code génétique, ayant sans doute une autre « syntaxe » et/ou une autre « orthographe », peut-être plus efficientes que les nôtres.